鋁合金重型貨架結(jié)構(gòu)計算與分析

李柏林，劉占宇，張宗鑠，唐鴻洋，王洪卓，王東輝

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，物流業(yè)也隨之興盛起來，使得倉儲的概念不斷地進(jìn)行著演繹[1]。貨架種類已由最初的品種單一逐步發(fā)展成為基于不同物料尺寸、重量乃至存取方式而區(qū)分的多種類型貨架，貨架行業(yè)也由單純的鋼鐵加工轉(zhuǎn)變成集力學(xué)仿真計算、倉儲自動化運行技術(shù)及倉儲管理信息化于一身的多學(xué)科多專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域[2]。自動化立體倉庫的出現(xiàn)對貨物儲存具有劃時代的意義，它不僅徹底改變了倉儲行業(yè)勞動密集、效率低的落后面貌，而且拓展了倉庫功能，使之從單純的保管型向綜合流通型方向發(fā)展[3]。貨架作為自動化立體倉庫存儲貨物的重要基礎(chǔ)設(shè)施，要求具有良好的承載性、抗震能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]。

重型貨架是倉儲貨架系統(tǒng)中最為常見的一種貨架形式，是以立柱片+橫梁形式的全組裝結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡明有效，適合于箱式貨物的存儲，或者與周轉(zhuǎn)箱配套裝載零散重型貨物，通常配合叉車作業(yè)。本文結(jié)合鋁合金自身優(yōu)勢，提出一種新型鋁合金重型貨架，通過設(shè)計和計算分析來驗證產(chǎn)品的可行性，以便于推廣使用。

1 設(shè)計參數(shù)確定與材料選用

1.1 設(shè)計參數(shù)確定

在設(shè)計重型貨架時需考慮托盤和貨物的尺寸、重量以及疊放的層數(shù)，以便決定重型貨架的設(shè)計尺寸。本文設(shè)計的重型貨架所使用的托盤規(guī)格為1 200 mm×1 000 mm×150 mm，托盤自重為20 kg，托盤存儲載荷1 100 kg，存儲高度不超過1 200 mm。根據(jù)上述條件，設(shè)計一款單個貨格可存儲兩個托盤貨物的鋁合金重型貨架，設(shè)計存儲層數(shù)為4層，圖1為貨物存儲示意圖。結(jié)合實際使用工況和相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[5]，確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)，見表1。

圖1 新型鋁合金重型貨架存儲示意圖

表1 新型鋁合金重型貨架相關(guān)設(shè)計參數(shù)

1.2 材料選用

結(jié)合重型貨架的使用工況，根據(jù)經(jīng)驗，確定重型貨架結(jié)構(gòu)材料均選用可熱處理強化的6061鋁合金。6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系，其擠壓型材已廣泛應(yīng)用于強度和耐蝕性能要求較高的工業(yè)型材及結(jié)構(gòu)件，涉足工業(yè)生產(chǎn)、機械制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[6]。表2為6061鋁合金在T6狀態(tài)下的主要力學(xué)性能[7]。

表2 6061鋁合金T6狀態(tài)下的主要力學(xué)性能

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 承重橫梁截面設(shè)計

承重橫梁是鋁合金重型貨架的重要承力構(gòu)件，在貨物存儲過程中托盤貨物是直接置于承重橫梁上的，因此，承重橫梁的截面設(shè)計至關(guān)重要。圖2為承重橫梁的截面示意圖。其截面呈“曰”字形，可增強其抵抗變形能力，同時截面輪廓設(shè)計為波浪形，可進(jìn)一步提高承重橫梁的承重能力。此外，承重橫梁的截面設(shè)計符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

圖2 承重橫梁截面示意圖

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金重型貨架是由立柱、承重橫梁、連接板、斜撐和柱底構(gòu)件組成，如圖3所示。連接方式采用全螺接固定，無焊接工藝。在保證重型貨架整體的承載能力和穩(wěn)定性的同時，該連接方式極大地降低了產(chǎn)品的制造成本。在安裝過程中，首先裝配立柱、斜撐和柱底構(gòu)件，組成立柱片，然后與承重橫梁和連接片組裝，形成重型貨架結(jié)構(gòu)。此外，鋁合金重型貨架各零件均采用特殊的表面處理方式，代替原鋼制重型貨架的噴涂表面處理方式。該表面處理方式提高了重型貨架的使用壽命，降低了其維修成本。

圖3 結(jié)構(gòu)數(shù)模

3 計算分析

本文設(shè)計的鋁合金重型貨架為室內(nèi)使用，因此重型貨架的計算載荷包括恒載荷、活載荷以及在裝卸貨物時所產(chǎn)生的豎向沖擊載荷。其中恒載荷為貨架自重，活載荷為托盤貨物重量，豎向沖擊載荷通?？扇∫粋€裝載單元靜載設(shè)計值的50%。

3.1 鋁合金重型貨架相關(guān)參數(shù)

鋁合金重型貨架恒載荷Gk=8 000 N，活載荷Qk=179 200 N，豎向沖擊載荷Q1k=15 680 N，立柱計算長度L0=1 650 mm，立柱有效截面積Aen=3 636 mm2，立柱截面回轉(zhuǎn)半徑ix=26.02 mm、iy=43.63 mm；單個貨格存儲載荷Q=22 400 N，承重橫梁計算長度L=2 300 mm，承重橫梁抗彎截面系數(shù)Wz=76243.2 mm3，承重橫梁的截面慣性矩I=6242808.12 mm4。

3.2 立柱的強度與剛度計算

由于鋁合金重型貨架為對稱結(jié)構(gòu)，因此只需對其中一個柱的具體受力狀況進(jìn)行分析，將柱受力簡化為軸心受力構(gòu)件即可，計算結(jié)果如下：

立柱所受載荷為：

式中，γG和γQ分別為為恒載荷和活載荷的分項系數(shù)，γG=1.2、γQ=1.4。

最大應(yīng)力為：

立柱的剛度是以保證其長細(xì)比λ來實現(xiàn)的，立柱容許最大長細(xì)比[λ]=150，計算結(jié)果如下：

由于σmax=18.99 MPa＜[]σ=240 MPa

因此鋁合金重型貨架的立柱是安全的，設(shè)計可行。

3.3 承重橫梁的強度與剛度計算

由于鋁合金重型貨架單個貨格可存儲兩個托盤貨物，因此可根據(jù)承重橫梁的受力形式將其力學(xué)模型簡化為受兩個均布載荷的兩端固定的形式，其簡化載荷如圖4所示。承重橫梁的允許最大變形[ω]=L/200=11.5 mm[9]。

圖4 承重橫梁載荷簡化示意圖

承重橫梁上均布載荷q為：

最大彎矩為：

此處b為托盤貨物的橫向規(guī)格尺寸，b=1000 mm。

最大應(yīng)力、最大撓度為：

由于σmax=96.87 MPa＜[]σ=240 MPa

因此鋁合金重型貨架的承重橫梁設(shè)計是安全可行的。

計算結(jié)果表明，當(dāng)對鋁合金重型貨架單個貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設(shè)計載荷時：（1）鋁合金重型貨架立柱的最大應(yīng)力σmax=18.99 MPa，小于6061-T6的屈服強度[σ]=170 MPa，長細(xì)比λx=63.41，λy=37.82，均小于允許最大長細(xì)比[λ]=150；（2）鋁合金重型貨架承重橫梁的最大應(yīng)力σmax=96.87 MPa，小 于6061-T6的 屈 服 強 度[σ]=170 MPa，最大撓度ωmax=9.46 mm，小于允許最大撓度[ω]=11.5 mm。綜上所述，此鋁合金重型貨架立柱和承重橫梁均滿足設(shè)計要求，該產(chǎn)品的設(shè)計是安全可行的。

4 發(fā)展前景

近年來，隨著更多的外資注入我國市場，越來越多的企業(yè)為了提高效益和規(guī)范經(jīng)營，就要從物流這第三利潤來源著手，所以企業(yè)對貨架的需求量就越來越大。越來越多的人逐漸認(rèn)識到貨架的重要性，漸漸出現(xiàn)了對貨架大量需求的現(xiàn)象[9]。

現(xiàn)階段市場上所投入使用的重型貨架大多為鋼制，由于其成本低、性能穩(wěn)定、安全可靠，因此被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。而鋁合金重型貨架相比于鋼制重型貨架具有質(zhì)量輕、裝拆方便、使用壽命長、環(huán)保等諸多優(yōu)勢，同時國家工業(yè)和信息化部在《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》[9]中也提出將大力發(fā)展綠色能源，而鋁及其合金就是一種可回收的再生綠色資源，因此鋁合金重型貨架將在未來會逐漸取代鋼制重型貨架，成為該領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

5 結(jié)論

鋁合金重型貨架具有質(zhì)輕、便于裝拆、使用壽命長、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)勢，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析對鋁合金重型貨架的安全性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明：當(dāng)對其單個貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設(shè)計載荷時，立柱的最大應(yīng)力和長細(xì)比以及承重橫梁的最大應(yīng)力和最大撓度均符合相關(guān)設(shè)計規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，因此該設(shè)計方案是安全可行的。同時鋁合金作為一種綠色資源，相比于鋼材有諸多優(yōu)勢，相信鋁合金重型貨架在未來將會成為倉儲系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品，并發(fā)揮重要作用。